藍牙技術及其發展現狀

藍牙技術是由愛立信公司在1994年提出的一種最新的無線技術規范。其最初的目的是希望采用短距離無線技術將各種數字設備（如移動電話、計算機、ＰＤＡ等）連接起來，以消除繁雜的電纜連線。隨著研究的進一步發展，藍牙技術可能的應用領域得到擴展，如將藍牙技術應用于汽車工業、無線網絡接入、信息家電及其他所有不便于進行有線連接的地方。但從目前的情況分析來看，藍牙技術的典型應用還是在個人域網（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＰＡＮ），它可用于建立一個便于移動、連接方便、傳輸可靠的數字設備群。

1 藍牙技術
??? 藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。其工作頻段為全球通用的2.4ＧＨｚ ＩＳＭ(即工業、科學、醫學)頻段。藍牙的數據傳輸速率為1Ｍｂｉｔ／ｓ，采用時分雙工方案來實現全雙工傳輸。其理想的連接范圍為10ｃｍ～10ｍ，通過增大發送電平可以將距離延長至100 ｍ，而延長距離至1000ｍ的方案目前還在討論中。
??? 由于ＩＳＭ頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定，結合了極高跳頻速率（1600跳／ｓ）和調頻技術，這使它比工作在相同頻段而跳頻速率均為50跳／ｓ的802.11 ＦＨＳＳ和ＨｏｍｅＲＦ無線電更具抗干擾性。目前，藍牙特殊興趣集團（ＳＩＧ）的實驗表明：當藍牙設備和802.11設備同時工作時，802.11對藍牙設備的干擾使得藍牙設備的數據傳輸速率約下降了12％，而藍牙設備對802.11的干擾使得其基本上無法傳輸數據。當然，這項實驗在反映了藍牙技術抗干擾性強的同時，也體現了藍牙技術應該解決的一個問題，就是和其他協議的共存。只有和其他協議很好地共存，才能更加體現出藍牙技術的巨大生命力。目前，ＳＩＧ也正在積極地尋找解決相互干擾問題的方法，并有望在藍牙協議的2.0版本中采用自適應跳頻技術來解決。
??? 藍牙基帶協議是電路交換與分組交換的結合。在保留的時隙中可以傳輸同步數據包，每個數據包以不同的頻率發送。一個數據包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴展到占用5個時隙。藍牙支持異步數據信道以及多達3個同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數據和同步話音。每個話音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ，同步話音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721ｋｂｉｔ／ｓ而另一端速率為57.6ｋｂｉｔ／ｓ的不對稱連接，也可以支持432.6ｋｂｉｔ／ｓ的對稱連接。
2 藍牙系統
2.1 藍牙系統中的常用名詞
??? Ｐｉｃｏｎｅｔ：微網。兩個或多個共用同一藍牙信道的設備組成的網絡被稱為是一個微網（ｐｉｃｏｎｅｔ）。由于微微網中主動設備的地址長度為3ｂｉｔ，所以一個微微網的主動成員數為2～8個。其中一個單元為ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ，其他單元為ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔ。
??? Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ：特殊松散網。由重疊覆蓋區域的多個微微網組成一個ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ。
??? Ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ：主單元。即在一個微微網中，其時鐘和跳頻順序被用來同步其他單元的設備。
??? Ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔｓ：從單元。即微微網中不是ｍａｓｔｅｒ的所有設備。
??? Ａｍ—ａｄｄｒｅｓｓ：主動成員地址。用來區分微微網中各主動單元長度為3ｂｉｔ的地址。 Ｐａｒｋ：暫停模式。在微微網中與網絡保持同步但不進行數據收發的一種工作模式。
??? Ｓｎｉｆｆ ａｎｄ ｈｏｌｄ ｍｏｄｅ：呼吸與保持模式。與網絡同步，但進入睡眠狀態以節省能源的一種工作模式。
2.2 系統組成
??? 藍牙系統主要有三大單元組成。
??? (1)無線單元
??? 無線單元主要完成基帶信號和射頻信號之間的上下轉換，實現數據流的過濾和傳輸。
??? (2)基帶單元 基帶單元主要完成跳頻控制，數據和信息的打包與傳輸。
??? (3)鏈路管理與控制單元 鏈路管理與控制是系統的核心部分，它負責連接的建立和拆除以及鏈路的安全和控制，還要為上層軟件提供訪問入口。
2.3 鏈路管理與控制
??? 在微微網內的連接被建立之前，所有的設備都處于旁觀（ｓｔａｎｄｂｙ）狀態。此時，這些設備周期性地“監聽”其他設備發出的查詢（ｉｎｑｕｉｒｅ）消息或尋呼（ｐａｇｅ）信息。首先請求連接的單元是ｍａｓｔｅｒ單元，如果對方地址已經存在于ｍａｓｔｅｒ 單元的地址簿中，ｍａｓｔｅｒ單元則通過發出尋呼（ｐａｇｅ）消息包請求建立連接；如果地址未知，則首先通過ｉｎｑｕｉｒｅ消息包查詢覆蓋范圍內其他單元的地址，然后再用ｐａｇｅ消息包建立連接。
??? 在查詢過程中，ｍａｓｔｅｒ單元使用特別預留的全球統一的Ｉｎｑｕｉｒｅ事件ＩＤ號，并采用全球惟一的包含32個信道的信道序列發送此指令。進行Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ的設備周期性地在這32個信道上進行監聽，直到該設備的Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ功能被禁止。在主單元端將這32個信道分為兩組，每組16個，主單元先在第一組的16個信道上發布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，隨即在回復信道上進行監聽，如果被查詢單元接收到Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，則用ＦＨＳ包發送自己的ＩＤ號和時鐘偏移；然后主單元在第二組的16個信道上發布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，如此反復，直到覆蓋范圍內所有單元都發回ＦＨＳ包，主單元就建立了一個完整的覆蓋范圍內的設備情況表。
??? 在尋呼過程中，32個尋呼信道也分為兩組，主單元根據它最近知道的被呼單元的ＩＤ號和時鐘偏移來調整兩個信道組的頻率，然后先用第一組頻率持續呼叫1.25ｓ。如果沒有收到回音，則再用第二組頻率持續呼叫1.25ｓ。被呼單元則每隔1.25ｓ在尋呼信道中監聽尋呼消息中的ＩＤ信息，一旦發現接收到的ＩＤ號與本身的ＩＤ號一致，則發送回復消息包。這樣，微微網就形成了。
??? 如果微微網中已經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數據傳輸，ｍａｓｔｅｒ可以把ｓｌａｖｅ置為ｈｏｌｄ模式，這時，只有一個內部計數器工作。ｓｌａｖｅ也可以主動要求被置為ｈｏｌｄ模式。一旦處于ｈｏｌｄ模式的單元被激活，則數據傳遞也立即重新開始。ｈｏｌｄ模式一般被用于連接好幾個微微網的情況或者耗能低的設備，如溫度傳感器。除了ｈｏｌｄ模式外，藍牙還支持ｓｎｉｆｆ模式和ｐａｒｋ模式兩種節能工作模式：在ｓｎｉｆｆ模式下，ｓｌａｖｅ降低了從微微網“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應用要求做適當調整；在ｐａｒｋ模式下，設備依然與微微網同步但沒有數據傳送。工作在ｐａｒｋ模式下的設備放棄了Ａｍａ地址，偶爾“收聽”ｍａｓｔｅｒ的消息并恢復同步、檢查廣播消息。采用ｐａｒｋ模式可以使一個微微網中的ｍａｓｔｅｒ單元管理的ｓｌａｖｅ單元數遠遠大于7個。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排列，則依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。
??? 在活動狀態下，藍牙技術支持兩種鏈路類型：面向連接的同步鏈路（ＳＣＯ）和面向無連接的異步鏈路（ＡＣＬ）。
??? ＳＣＯ鏈路為對稱連接，利用保留時隙傳送數據包。它可以被認為是一種主單元和從單元之間的電路交換的點對點連接，主要用于傳送實時話音，也可以傳送數據，但在傳送數據時，只用于重發被損壞的那部分數據。每個藍牙單元最多可同時支持3個ＳＣＯ鏈路。
??? ＡＣＬ鏈路既支持對稱連接，也支持不對稱連接。ｍａｓｔｅｒ負責控制鏈路帶寬，并決定微微網中的每個ｓｌａｖｅ可以占用多少帶寬和連接的對稱性。ｓｌａｖｅ只有被選中時才能傳送數據。ＡＣＬ鏈路也支持ｍａｓｔｅｒ發給微微網中所有ｓｌａｖｅ的廣播消息。ＡＣＬ鏈路一般不能傳送話音，但可以傳送ＩＰ話音。
3 藍牙技術的主要應用
??? 從理論上講，藍牙技術可以被植入到所有的數字設備中，用于短距離無線數據傳輸。目前可以預計的應用場所主要是計算機、移動電話、工業控制及ＰＡＮ的連接。
3.1 藍牙在計算機中的應用
??? 藍牙接口可以直接集成到計算機主板或者通過ＰＣ卡或ＵＳＢ接口連接，實現計算機之間及計算機與外設之間的無線連接。這種無線連接對于便攜式計算機可能更有意義。通過在便攜式計算機中植入藍牙技術，便攜式計算機就可以通過藍牙移動電話或藍牙接入點連接遠端網絡，可以方便地進行數據交換。當便攜式計算機中的某些資料更新后，可以在不需人工干預的情況下，對家用臺式電腦進行同步更新。
3.2 藍牙在移動電話中的應用
??? 從目前來看，移動電話是藍牙技術的最大應用領域，也是已經有實際應用的領域。通過在移動電話中植入藍牙技術，可以實現無線耳機、車載電話等功能，還能實現與便攜式計算機和其他手持設備的無電纜連接，組成一個方便靈活的ＰＡＮ。當藍牙技術普及后，藍牙移動電話還能作為一個工具，實現所有的商用卡交易。
3.3 藍牙在其他方面的應用
??? 目前，藍牙技術的應用領域已越來越廣闊，如：將藍牙技術應用于汽車行業中，實現對汽車各部件的實時監控；將藍牙技術應用于建筑行業中，實現智能化住宅；在人口密度大的地區（如車站、機場、商場等）為用戶提供接入服務等。 我們針對電力系統的特點，正在將藍牙技術引入到電力系統中，實現電力系統的自動抄表和用電實時管理以及高壓區的遠程操作。目前正在努力實現該系統的實用化。
4 國內外研究現狀
4.1 國外研究現狀
??? 自從1994年愛立信提出藍牙技術以來，這項低功耗、低成本的無線連接技術已經獲得了巨大的發展。1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、ＩＢＭ和英特爾5家公司成立了藍牙特殊興趣小組（ＳＩＧ）。此后，各大公司都加大了對藍牙的投資力度，于1999年發布了藍牙技術協議Ｖ1.0Ｂ版，2001年3月發布了藍牙協議Ｖ1.1版。愛立信于2000年推出了藍牙技術模塊，這種模塊主要采用了兩個芯片完成整個藍牙協議，目前各大公司正在努力將整個藍牙協議植入一個芯片中。到2001年4月止，藍牙特殊興趣小組已有各種成員2 491位；已通過藍牙技術認證的產品（包括藍牙調制器、開發器、測試設備及其他應用產品）已達200多種。目前，在國外公司推出的產品當中，各類測試設備（包括無線測試儀和協議分析儀等）已日趨成熟，但其應用產品（ＰＣ卡等）還有些問題需要解決（包括互操作性差、傳輸速率低等）。
??? 目前，藍牙協議還處于不斷完善期，ＳＩＧ預計在2001年年底發布藍牙協議Ｖ2.0版，擬采用自適應跳頻技術來進一步提高抗干擾性能并減少對同頻段其他設備的干擾，使一個微微網的傳輸速率有望達到12Ｍｂｉｔ／ｓ，以拓展藍牙技術在工業控制和無線ＬＡＮ中的應用。
??? 雖然由于藍牙技術的發展速度一直未達到預計的要求而使一些業內人士對藍牙技術產生了懷疑，但是作為一種前景光明的連接技術，藍牙仍以驚人的速度向前發展，預計到2003年，將有數千萬只手機和數百萬個其他ＩＴ設備被植入藍牙技術；到2005年，其全球的芯片市場將達50億美元。
4.2 國內研究狀況與對策
??? 從國內整體情況來看，目前參與藍牙特殊興趣小組的國內企業還為數不多，藍牙產品也大多處于研發階段。在這種情況下，國內廠家要擺脫這種相對落后的狀況，達到與國際技術同步發展的水平，可以采取以下幾種途徑。
??? ①通過與國外大公司的合作，掌握藍牙芯片的關鍵技術。在藍牙技術中，芯片是基礎，在藍牙技術成熟后，芯片市場將占據藍牙市場中的大部分。若我國擁有自己的藍牙芯片廠商，我國藍牙產業的發展就可以免受或少受國外的牽制。芯片技術是我國信息產業發展的瓶頸，而目前我國的芯片技術一直處于落后狀態，我國政府已明確指出要加快芯片技術產業的發展，因此，發展藍牙芯片也符合我國的發展戰略。
??? ②加緊對藍牙技術的應用開發，加快藍牙技術在各種ＩＴ設備中的應用研究。目前，由于芯片價格和協議的不斷更新等原因，推出大規模的商業應用還不現實，但應緊跟技術的發展，針對各行業的應用加緊研究開發，為大規模的商業應用做充分的準備。國內一些企業也正在討論用軟件方法來實現藍牙協議，當藍牙協議更新時，只需修改軟件就能實現協議升級。這在當前的形式下，也不失為一種好的對策。
??? ③加強企業間的橫向聯合。藍牙技術應用廣泛，各行業的企業可以有不同的藍牙技術應用切入點，企業間的利益沖突小。因此，國內的企業應聯合起來，成立一個國內的藍牙組織，共同推進藍牙技術在國內的發展。同時，還要加強對藍牙協議的研究，力爭在藍牙協議中，也擁有我國自主的知識產權，變被動跟蹤為主動出擊。
5 結束語
??? Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和移動通信的迅速發展，使人們對各種數據和移動服務的需求快速增長。藍牙技術作為一個全球開放性無線標準，通過把各種語音和數據設備用無線鏈路連接起來，使人們能夠隨時隨地實現個人區域內語音和數據的交換與傳輸，隨著技術的發展和完善，藍牙必將對人們的生活和工作產生重大影響。